DE10128552B4 - Method for cell analysis and cell analysis device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Zellanalyse mit einer Zellanalyseeinrichtung mit Mitteln zum Halten und Transportieren eines Trägers, auf den die zu analysierenden Zellen haftend aufgebracht sind, umfassend wenigstens zwei Behandlungsstationen, insbesondere Färbestationen, in denen die Zellen derart behandelt werden können, dass sich ihre optisch messbaren Eigenschaften ändern, und Mittel zum Erzeugen digitaler Bilder der auf dem Träger befindlichen Zellen nach jeder Behandlung in einer Behandlungsstation, – wobei die zu analysierenden Zellen mittels eines ersten Färbemittels angefärbt werden und – wobei ein erstes digitales Bild der auf dem Träger aufgebrachten angefärbten Zellen erzeugt und gespeichert wird, – wobei dieselben Zellen auf demselben Träger nach der Aufnahme des ersten digitalen Bildes mit einem zweiten Färbemittel behandelt werden, so dass sich ihre optisch messbaren Eigenschaften ändern, – worauf ein zweites digitales Bild der selben auf dem Träger aufgebrachten Zellen erzeugt und gespeichert wird und verschiedene digitale Bilder derselben Zellen automatisch derart verändert werden, dass sich bei Darstellung verschiedener Bilder derselben Zellen auf einer Ausgabeeinrichtung in jedem dargestellten Bild dieselben Zellen an derselben Relativposition im dargestellten Bild befinden und/oder vor der Erzeugung verschiedener digitaler Bilder derselben Zellen der die Zellen tragende Träger derart ausgerichtet wird, dass sich in den Bildern dieselben Zellen jeweils an der selben Relativposition befinden.Method for cell analysis with a cell analysis device comprising means for holding and transporting a carrier to which the cells to be analyzed are adhesively applied, comprising at least two treatment stations, in particular staining stations, in which the cells can be treated in such a way that their optically measurable properties change, and means for generating digital images of the cells on the support after each treatment in a treatment station, - wherein the cells to be analyzed are stained by means of a first stain, and - a first digital image of the stained cells deposited on the support is generated and stored, - Wherein the same cells are treated on the same carrier after taking the first digital image with a second colorant, so that change their optically measurable properties, - whereupon a second digital image of the same applied to the carrier Zel len and various digital images of the same cells are automatically changed so that when displaying different images of the same cells on an output device in each displayed image, the same cells are at the same relative position in the image being displayed and / or before generating various digital images thereof Cells of the carrier carrying the cells is aligned such that the same cells are in the same relative position in the images.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zellanalyse, wobei die zu analysierenden Zellen auf einem Träger haftend aufgebracht und mittels eines ersten Färbemittels angefärbt werden und wobei ein erstes digitales Bild der auf den Träger aufgebrachten angefärbten Zellen erzeugt und gespeichert wird.The invention relates to a method for cell analysis, wherein the cells to be analyzed are adhered to a carrier and stained by means of a first colorant and wherein a first digital image of the stained cells applied to the carrier is generated and stored.
Solche Analyseverfahren und Analyseeinrichtungen sind in vielfältiger Form seit langem bekannt, beispielsweise aus der
Diese Behandlungen schließen insbesondere das sogenannte ”Anfärben” der Zellen ein, bei dem die Zellen mit einer chemischen Substanz in Kontakt gebracht werden, die bei den Zellen je nach deren Eigenschaften unterschiedliche chemische Reaktionen auslöst, die sich üblicherweise in einer Änderung optisch wahrnehmbarer Eigenschaften der Zellen niederschlägt und das Transmissions-, Absorptions- und/oder Lumineszenzverhalten der Zellen verändert. Im einfachsten Fall verändern die Zellen in Abhängigkeit von ihren Eigenschaften ihre Farbe, so dass die Zellen anhand ihrer Farbe in verschiedene Kategorien wie insbesondere normal/anomal eingeteilt werden können.These treatments include, in particular, the so-called "staining" of the cells, in which the cells are brought into contact with a chemical substance which, depending on their properties, triggers different chemical reactions in the cells, usually resulting in a change in the optically perceptible properties of the cells precipitates and changes the transmission, absorption and / or luminescence behavior of the cells. In the simplest case, the cells change their color depending on their properties, so that the cells can be classified according to their color into different categories, in particular normal / abnormal.
Dabei sei an dieser Stelle betont, dass im folgenden in dieser Anmeldung zwar immer nur von einem ”Anfärben” mittels eines ”Färbemittels” gesprochen wird, dass darunter jedoch alle Arten von Behandlungen der auf einem Träger haftend aufgebrachten Zellen zu verstehen sind, die das Emissions-, Transmissions- und/oder Absorptionsverhalten der Zellen bzgl. elektromagnetischer Wellen, insbesondere bzgl. elektromagnetischer Wellen mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich verändern. ”Anfärben” in diesem Sinne kann also insbesondere auch heißen, dass die Zellen nicht einer chemischen, sondern einer physikalischen Behandlung wie z. B. einer Bestrahlung oder einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden.It should be emphasized at this point that in the following in this application, although always only a "staining" by means of a "colorant" is spoken, but that is to be understood as all types of treatments adhered to a carrier cells, the emission -, Transmission and / or absorption behavior of the cells with respect to electromagnetic waves, in particular with respect to electromagnetic waves with wavelengths in the visible range change. "Staining" in this sense can therefore also mean in particular that the cells not a chemical, but a physical treatment such. B. exposure to radiation or a heat treatment.
Aus den genannten Druckschriften und auch aus benachbarten Gebieten wie z. B. der automatischen Analyse angefärbter Flüssigkeiten, die nicht auf einem Träger aufgebracht sind, sondern sich z. B. in Röhrchen oder ähnlichen Behältern befinden, sind unterschiedliche Verfahren zur automatischen Analyse der aufgenommenen digitalen Bilder mit Methoden der modernen Bildverarbeitung bekannt, so z. B. aus der
Dabei ist aus der
Je nach Art und Beschaffenheit der zu analysierenden Zellen kann es sein, dass das Anfärben der Zellen mit nur einem einzigen Färbemittel unterschiedliche Eigenschaften der Zellen noch nicht in der zur Analyse, insbesondere zur sicheren Diagnose bestimmter Krankheiten notwendigen Klarheit herausbringt.Depending on the type and nature of the cells to be analyzed, it may be that the staining of the cells with only a single colorant does not bring out different properties of the cells in the clarity necessary for the analysis, in particular for the reliable diagnosis of certain diseases.
In der Literatur sind zur Lösung dieses Problems zwei unterschiedliche Wege beschrieben worden. So wird in den bereits genannten Druckschriften
In der ebenfalls bereits genannten
Allerdings besteht oftmals das Problem, dass sich Zellen aus ein und derselben Probe auf unterschiedlichen Trägern unterschiedlich entwickeln. Jede Analyse liefert damit nur Informationen über die jeweils speziell gefärbten Zellen, während es wünschenswert wäre, genau über diejenigen Zellen, über die bereits Informationen aus einer ersten Analyse vorliegen, weitere Informationen zu gewinnen.However, there is often the problem that cells from one and the same sample develop differently on different carriers. Each analysis thus provides only information about the particular stained cells, while it would be desirable to gain more information about those cells already having information from an initial analysis.
Ein derartiges Verfahren ist aus der
Ein automatisiertes Analysesystem ist aus der
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zellanalyse anzugeben, das es in besonders einfacher Weise erlaubt, unterschiedliche, sich ergänzende Aussagen über ein und dieselben Zellen zu erhalten.Based on this, the object of the invention is to provide a method for cell analysis, which makes it possible in a particularly simple manner to obtain different, complementary statements about one and the same cells.
Die Aufgabe wird von einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung basiert also auf der überraschenden Erkenntnis, dass auch im Routinebetrieb bereits mit einem Färbeverfahren behandelte Zellen weiteren Färbereaktionen unterzogen werden können, wodurch neue, wichtige Erkenntnisse über die untersuchten Zellen gefunden werden können.The object is achieved by a method of the type mentioned above with the features of claim 1. Thus, the invention is based on the surprising finding that even in routine operation already treated with a staining process cells can be subjected to further staining reactions, whereby new, important knowledge about the cells studied can be found.
Dabei hat sich gezeigt, dass die Verfahrensschritte Behandeln derselben Zellen auf demselben Träger insbesondere mit einem Färbemittel zwecks Änderung optisch messbarer Eigenschaften der Zellen und Erzeugen und Speichern eines digitalen Bildes der auf dem Träger aufgebrachten Zellen auch mehrfach mit jeweils unterschiedlichen Behandlungsmethoden der Zellen, insbesondere mit unterschiedlichen Färbemitteln wiederholt werden können, denn bei Verwendung üblicher Glas- oder Kunststoffträger haften die Zellen sehr gut auf dem Träger und überstehen ohne nennenswerte Verluste auch mehrere der ihre optisch messbaren Eigenschaften ändernden Behandlungen. Da bei den hier in Frage stehenden Zellanalyseverfahren typischerweise weit mehr als 1000 Zellen auf einen Träger aufgebracht werden, würde es die Signifikanz der Analyse nicht verändern, wenn sich einige Zellen bei den aufeinanderfolgenden Behandlungen vom Träger lösen sollten.It has been found that the method steps treating the same cells on the same carrier in particular with a colorant for the purpose of changing optically measurable properties of the cells and generating and storing a digital image of the applied on the carrier cells also several times each with different treatment methods of the cells, in particular with different Colorants can be repeated, because when using conventional glass or plastic carriers, the cells adhere very well to the carrier and survive without significant losses and several of their optically measurable properties changing treatments. Since the cell analysis methods of this invention typically deposit far more than 1000 cells on a support, it would not alter the significance of the analysis if some cells were to detach from the support in successive treatments.
Die zu analysierenden Zellen werden meist menschlichen Ursprungs sein und z. B. Abstrichen, Feinnadelpunktasen oder beliebigen Körperflüssigkeiten entstammen. Zur Analyse solcher Zellen hat sich die folgende Gruppe von Verfahren zum Anfärben besonders bewährt: May-Grünwald-Giemsa-Färbung oder Papanicolaou-Färbung, Feulgen-Färbung, Silber-Färbung, Peroxidase-Färbung, supravitale Färbung.The cells to be analyzed will usually be of human origin and z. B. smears, fine needle punctures or any body fluids originate. For the analysis of such cells, the following group of methods of staining has been particularly useful: May-Grünwald-Giemsa stain or Papanicolaou stain, Feulgen stain, silver stain, peroxidase stain, supravital stain.
Handelt es sich um menschliche Zellen, so hat es sich für die Tumordiagnostik besonders bewährt, die auf dem Träger aufgebrachten Zellen zuerst einer May-Grünwald-Giemsa-Färbung oder Papanicolaou-Färbung, dann einer Feulgen-Färbung, dann einer Silber-Färbung unterzogen werden, wobei nach jeder Färbung ein digitales Bild der Zellen erzeugt und gespeichert wird.In the case of human cells, it is particularly useful for tumor diagnosis to subject the cells applied to the support to first a May-Grünwald-Giemsa stain or Papanicolaou stain, then a Feulgen stain, then a silver stain in which, after each staining, a digital image of the cells is generated and stored.
Die digitalen Bilder können in beliebiger, an sich bekannter Weise weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Insbesondere können sie einer automatischen Bildanalyse unterzogen werden, wobei vorteilhaft mehrere digitale Bilder derselben Zellen nach unterschiedlichen Behandlungen, insbesondere nach unterschiedlichen Färbungen kombiniert und insbesondere überlagert werden können. Auf die so erzeugten kombinierten und/oder überlagerten Bilder können dann Klassifizierungsalgorithmen angewandt werden, die die Zellen nach vorgebbaren Kriterien klassifizieren, zählen und ggf. nach Abfrage einer vorzugsweise selbstlernenden Datenbank Ergebnisse der Analyse ausgeben.The digital images can be further processed and evaluated in any known manner. In particular, they can be subjected to an automatic image analysis, it being advantageous for a plurality of digital images of the same cells to be combined after different treatments, in particular for different colors, and in particular to be superimposed. Classification algorithms can then be applied to the combined and / or superimposed images thus produced, which classify the cells according to predefinable criteria, count and, if appropriate, output results of the analysis after querying a preferably self-learning database.
Die nach jeweils verschiedenen Behandlungen der Zellen aufgenommen Bilder können softwaremäßig ”gematcht” werden, so dass sich bei Darstellung verschiedener Bilder derselben Zellen auf einer Ausgabeeinrichtung in jedem dargestellten Bild dieselben Zellen an derselben Relativposition im dargestellten Bild befinden, was insbesondere einem menschlichen Betrachter die vergleichende Analyse der Bilder erleichtert. Da die Zellen ihre Position auf dem Träger praktisch nicht verändern, kann jedoch auch bereits durch entsprechendes Ausrichten des Trägers vor der Erzeugung verschiedener digitaler Bilder derselben Zellen sichergestellt werden, dass sich in den Bildern dieselben Zellen jeweils an der selben Relativposition befinden.The images taken after each different treatment of the cells images can be "matched" by software, so that when displaying different images of the same cells on an output device in each image displayed the same cells in the same relative position in the image shown, which in particular a human observer, the comparative analysis eases the pictures. However, since the cells practically do not change their position on the carrier, it is also possible to ensure, by aligning the carrier before producing different digital images of the same cells, that the same cells are each in the same relative position in the images.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following purely exemplary and non-limiting description in conjunction with the drawings. Show it:
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt durchgeführt werden: Zellen aus einem Abstrich oder einer Punktion werden auf einem Objektträger aufgebracht, und zwar vorzugsweise in einer so dünnen Schicht (Monolayer), dass die Zellen einander im Wesentlichen nicht überlappen. Das Präparat wird dann mit der für die visuelle Betrachtung vorgesehenen May-Grünwald-Giemsa-Färbung oder Papanicolaou-Färbung angefärbt. Es ergibt sich ein Bild wie in
Beispielsweise kann so vorgegangen werden, dass eine Bedienperson den Träger in vergrößerter Darstellung auf einem Bildschirm betrachtet und bestimmte Gebiete (ROIs – Regions of Interest) festlegt und markiert, die von besonderer Signifikanz zu sein scheinen und deren Veränderung bei den nachfolgenden Behandlungen beobachtet werden soll. Je nach Art der zu untersuchenden Zellen und des in computerisierter Form vorhandenen Expertenwissens können solche ROIs natürlich auch automatisch festgelegt werden.For example, an operator may view the carrier in an enlarged view on a screen and identify and mark certain regions (ROIs) that appear to be of particular significance and whose change is to be observed in the subsequent treatments. Depending on the type of cells to be examined and the expertise available in computerized form, such ROIs can, of course, also be defined automatically.
Die auf dem Träger aufgebrachten Zellen werden sodann einer weiteren Behandlung unterzogen, bei der sich ihre optisch messbaren Eigenschaften erneut ändern, beispielsweise einer Feulgen-Färbung, die zur Bestimmung des DNA-Gehaltes der Zellen dient.
Es können dann noch weitere Behandlungen, beispielsweise eine weitere Färbung der Zellen folgen. Unterzieht man die in den
Für den Fachmann ist klar, dass die nach den einzelnen Behandlungen der Zellen aufgenommen Bilder in unterschiedlicher Weise kombiniert und korreliert werden können, und zwar sowohl zur automatischen Bildanalyse als auch zur Darstellung der Bilder bzw. eines daraus erzeugten Bildes auf einer Ausgabeeinheit wie einem Bildschirm oder einem Drucker.It will be understood by those skilled in the art that the images taken after the individual treatments of the cells can be combined and correlated in a variety of ways, both for automatic image analysis and for displaying the images or an image formed therefrom on an output device such as a screen or a printer.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich z. B. auf die Verarbeitung und Auswertung der digitalen Bilder beziehen, wobei an dieser Stelle betont sei, dass die Bilder zwar zweckmäßigerweise direkt in digitalisierter Form erzeugt werden, beispielsweise mittels eines Arrays von CCD-Zellen, dass es jedoch durchaus möglich ist, zunächst ein analoges Bild aufzunehmen und dieses anschließend zwecks automatischer Bildanalyse zu digitalisieren. Auch die entsprechenden Zellanalyseeinrichtungen können in unterschiedlichster Form ausgebildet und so vorteilhaft an den jeweiligen Einsatzzweck und Einsatzort angepasst werden. Beispielsweise sind kleine mobile Einrichtungen ebenso denkbar wie auf die Analyse vieler tausend Proben pro Tag ausgelegte Einrichtungen zum Einsatz bei professionellen Analyselaboren. Ein erfindungswesentlicher Grundgedanke ist jedenfalls, die auf einem Träger aufgebrachten Zellen nacheinander verschiedenen, optisch messbare Eigenschaften der Zellen ändernden Behandlungen zu unterziehen und die nach jeder Behandlung gewonnen Bilder der Zellen zu korrelieren.In the context of the inventive concept, numerous modifications and developments are possible, the z. B. refer to the processing and evaluation of the digital images, it being emphasized at this point that the images are indeed generated directly in digitized form, for example by means of an array of CCD cells, that it is quite possible, first an analog Take a picture and then digitize it for automatic image analysis. The corresponding cell analysis devices can also be designed in a wide variety of forms and thus be adapted advantageously to the respective intended use and place of use. For example, small mobile devices are conceivable as well as facilities designed for the analysis of many thousands of samples per day for use in professional analysis laboratories. In any case, a basic idea according to the invention is to successively subject the cells applied to a carrier to different, optically measurable properties of the cell-changing treatments and to correlate the images of the cells obtained after each treatment.
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